摘　要　针对气缸缸体铸件，建立了三维模型，并基于ＰｒｏＣＡＳＴ对铸造充型和凝固过程进行了模拟，获得了温度场的变化情况，模拟结果显示了铸造缺陷的位置。对模拟结果进行分析，并改进初始工艺方案。再对改进后的方案进行数值模拟，并对不同浇注参数进行模拟分析。结果表明，降低压射速度和提高模具预热温度，能有效地减少缩孔、缩松等缺陷，提高铸件品质，降低废品率，缩短生产周期。

     关键词　压铸；ＰｒｏＣＡＳＴ；缸体；数值模拟

     压铸的主要特点是利用模具型腔对金属熔体施加高压，从而形成形状复杂、薄壁的铸件［１］。铝合金压铸件已成功应用到汽车、摩托车、通讯、家电、五金制品等领域。随着计算机技术的发展，数值模拟在铸造过程中得到广泛的应用，可用于预测铸造缺陷，如缩孔、缩松、热裂、冷隔等，进而优化铸造工艺，实现理想的型腔填充。压铸过程中压射速度、浇注温度和模具预热温度等工艺参数对铸件品质影响显著。曹文炅等［２］利用数值模拟技术对船用柴油机活塞同时凝固工艺进行模拟，准确反映了热节产生的位置；钱进［３］通过优化浇注工艺方案等方法，获得球铁件凝固的温度场，进而获得致密铸件。

     缸体零件结构复杂、多变，型腔和孔较多，同时具有不规则的外形和内腔。铝合金缸体因为质量轻，导热性良好，从而使用越来越普遍。

     本课题利用ＰｒｏＣＡＳＴ软件模拟某公司铝合金气缸缸体的压铸充型和凝固过程，预测在压铸过程中缩孔、缩松等缺陷产生的位置，分析其原因，优化工艺案，改变工艺参数，从而提高铸件品质。

     １、　模拟前处理

     １．１　模型的建立

     利用三维软件建立浇注系统模型，见图１。缸体外形尺寸为７７ｍｍ×８４ｍｍ×１５０ｍｍ，质量为０．８６８ｋｇ，浇注系统质量为０．１７４ｋｇ。直浇道选用沉入式，内浇口设置在缸体壁厚处，可减小金属液充型时的阻力，同时也可以起到补缩作用，内浇口数目为４个。溢流槽分布在离浇口最远的位置以及金属液最后充型的位置。

                  图１　浇注系统模型

    在ＰｒｏＣＡＳＴ的Ｍｅｓｈｃａｓｔ模块里对模型进行网格剖分，生成体网格。为保证模拟准确性，应保证圆弧曲面划分合理，截面内保证有一个以上的自由单元［４］。此模型生成的节点数为１１０　３７９，单元数为５４７　３０１。

    １．２　工艺参数的确定

    缸体材质为ＡＤＣ１２，其热物性参数见表１。其液相线温度为５８０℃，固相线温度为５１８℃。需用系统中预期成分接近的Ａ３５６合金。模拟试验中，选用Ｈ１３钢作为模具材料，模具与外界的传热一般设置为空冷。

                       表１　ＡＤＣ１２合金的热物性参数

    边界条件要根据边界的形状以及传热的情况而定，边界的传热情况通常用边界传热系数来衡量，包括铸件与铸件、铸件和铸型环境的界面传热系数两部分［５］。压铸件和模具之间存在界面传热，且属于金属－金属型传热。对于铝合金压铸来说，界面传热系数常取１　０００～２　０００Ｗ／（ｍ２·℃），本模拟取１　５００Ｗ／（ｍ２·℃）。压铸模拟时，主要考虑压射速度、浇注温度和模具预热温度这３ 个工艺参数。本课题采用的压射速度为１０ｍ／ｓ，浇注温度为７００℃，模具预热温度为１００℃，模拟时间总步数为３　０００，模拟终止温度为５０℃。

     ２、　模拟结果与分析

     充型过程见图２，整个充型过程时间为０．１８７ｓ。浇注系统采用的是分叉式浇道。０．００７　６ｓ时，中间两股金属液从横浇道经过内浇口注入模具的型腔，见图２ａ；在０．０３９ｓ时，另外两股金属液流入型腔，在压力作用下，金属液一部分沿铸件内壁向上方凸台处流动，一部分向下流动，之后两股金属液平稳的向型腔底部汇聚，见图２ｂ；在０．１３７ｓ时，两股金属液即将汇聚，由于两股金属液的流动方向不同，在汇聚时易引起金属液的飞溅，致使充型不平稳，且金属液前端可能出现不同程度的氧化，从而造成卷气和氧化夹杂缺陷，见图２ｃ；在两股金属液汇聚之后，金属液恢复平稳，在０．１７８ｓ时，最终金属液将充满溢流槽，见图２ｄ。在整个过程中，没有产生浇不足的情况。由于浇注速度较大，在充型结束时型腔内的温度仍然接近浇注温度７００℃。

  
　　ＡＤＣ１２合金凝固过程见图３。充型完成后，金属液温度开始下降，在０．３９８ｓ时开始凝固，在３１．３９ｓ时最终凝固，之后冷却到设定的温度。从图３可以看出，缸体上各部位凝固是不同步的，中间薄壁处温度下降较快，首先凝固，且横浇道和内浇口温度下降较铸件快，可能出现早期凝固现象。从图３ａ可见，缸体上２处的温度明显高于缸体１处的温度，因此，１处比２处先凝固，造成２处无法由浇口处得到补缩，且４处的温度低于３处的温度，４处比３处先凝固；从图３ｃ和图３ｄ可见，在ｔ＝２６．８５５ｓ和ｔ＝３６．４３５ｓ时分别处于缸体凝固的后期和凝固刚结束的状态，此时可以看到在３、４、２、１处的温度依次降低，３处壁最厚，冷却速度最慢，最后凝固，且在此处并没有设置冒口，因此在缸体的凸台处可能会出现缩松、缩孔缺陷。

     
  
                                    图２　充型过程

                         图３　ＡＤＣ１２合金凝固过程模拟

       图４为ＡＤＣ１２合金的凝固缺陷预测。由图４ａ可知，在充型０．１７５ｓ时压铸件出现氧化夹渣处的充型情况，椭圆位置标注的是金属液在缸体里最后填充的地方，可见此处有明显的卷气，容易造成形腔内的空气和金属液的氧化皮无法排出，而形成氧化夹渣。这些氧化皮可以通过设置集渣包排出，以免使氧化皮聚集在压铸件的型壁上。从图４ｂ中可以看出，铸件的凸台和棱角处有明显的缩松、缩孔，且缩松、缩孔主要出现在缸体的４个棱角的壁厚最大处，与上述预测结果一致。这是由于在４个棱角和台阶周围的壁厚较薄，散热较快，凝固速度快，致使凸台和棱角处得不到很好的补缩，从而造成缺陷的产生［６，７］。

      
  
                               图４　ＡＤＣ１２合金缺陷

　　为减少缩孔等缺陷的出现，可以采取改善浇注系统、改变工艺参数等措施。

     ３、　工艺方案的改进

    根据原方案的模拟结果及分析可知，铸件有明显的缩松、缩孔，且主要出现在壁厚较大且温度过高的台阶处［６］。为此需降低凸台和凸台周围的温度差，加快凸台和棱角处温度的下降。由于原方案在冷却时出现内浇口和横浇道先冷却的现象，因此，对内浇口和横浇口进行改进，增加浇道的厚度，从而延缓冷却时间；在缸体的４个棱角处和凸台
周围设置冷却水道，通过高压冷却水对凸台处的高温金属液进行冷却，加快金属液温度的下降；同时为了排出型腔内的气体、涂料残渣以及增强金属液的补缩能力，在缸体凸台处增设溢流槽和排气槽。改进后的工艺方案模型见图５。以相同的工艺参数对改进后的模型进行模拟，产生的缩孔、缩松缺陷见图６ａ。

     
  
              图５　改进工艺方案模拟

    利用改进后的工艺方案，对不同的工艺参数进行模拟分析。设定浇注速度、浇注温度和模具预热温度，方案１的３个参数分别为５ｍ／ｓ、７００℃、１００℃；方案２的３个参数分别为５ｍ／ｓ、６６０℃、１００℃；方案３的３个参数分别为５ｍ／ｓ、６６０℃、１８０℃。对３种方案进行模拟，产生的缺陷位置和大小，见图６ｂ～图６ｄ。

                      图６　４种工艺缩松、缩孔缺陷对比图

　　由图６可知，由于增设冷却水道和溢流槽，与原工艺方案相比，缸体缩孔、缩松缺陷明显减少。比较图６ｂ和６ａ可知，降低压射速度能减少缩孔、缩松的产生。因为压射速度过大，导致金属液对型腔的冲击加大，使金属液粘附在型腔内，且型腔内的空气不易排出从而导致缺陷的产生；比较图６ｃ与图６ｂ，缩松等缺陷减少，说明方案２的浇注温度更合适，因为浇注温度７００℃对于铝合金液相线温度（５１８ ℃）而言相对较高，凝固时间较长，凝固收缩较大，铸件组织晶粒粗大，容易产生缩孔、缩松等缺陷；图６ｄ中缩松、缩孔缺陷最少，说明适当增加铸型的预热温度，防止了金属液因为进入型腔后温度突然降低而无法成形［７］，从而减少缺陷的产生，在此方案条件下，几乎无缩松、缩孔缺陷。

     ４　、结　语

     预测了缸体在压铸时容易产生缺陷的位置。合理布置冷却水道和溢流槽，降低压射速度，提高铸型预热温度，减少了卷气，降低了金属液氧化的可能性，减少了缩松、缩孔缺陷。